JPH0963992A - Formation method of metal layer and formation method of interconnection - Google Patents

Formation method of metal layer and formation method of interconnection

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JPH0963992A
JPH0963992A JP8198315A JP19831596A JPH0963992A JP H0963992 A JPH0963992 A JP H0963992A JP 8198315 A JP8198315 A JP 8198315A JP 19831596 A JP19831596 A JP 19831596A JP H0963992 A JPH0963992 A JP H0963992A
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cooling
wafer
metal layer
forming
aluminum
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Eishin Gi
魏榮振
Jinzen Boku
朴仁善
Sonin Ri
李相▲忍▼
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    • H01L21/768Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76838Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the conductors
    • H01L21/76877Filling of holes, grooves or trenches, e.g. vias, with conductive material

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metallic layer forming method by which an extremely thin film can be formed by optimizing the vapor-depositing condition of a metal and a metallic wiring forming method for burying a contact hole having a high aspect ratio by using the metallic layer forming method. SOLUTION: The wettability of a substrate which indicates the adsorptivity of sputtered metallic atoms to the substrate is improved by executing the vapor- depositing process of the metallic layer after a wafer is cooled so that the temperature of the wafer can falls within a range from -25 deg.C to room temperature so that the grain boundary energy per unit volume can be increased by the increase of the number of nucleuses generating positions. Therefore, a uniform extremely thin metallic film can be obtained by improving the surface condition of the vapor-deposited metallic layer. In addition, the filling characteristic of a contact hole having a high aspect ratio with aluminum can be improved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に係り、詳しくは、超薄膜の金属層を形成する金属
層形成方法及び高いアスペクト比比を有するコンタクト
ホールを埋め込んで金属配線を形成する配線形成方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a metal layer of an ultrathin film and a contact hole having a high aspect ratio to form a metal wiring. The present invention relates to a wiring forming method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の低集積度の半導体装置において
は、金属を条着した際のステップカバレージは重要視さ
れていなかった。しかしながら、最近、半導体装置の高
集積化により、コンタクトホールの径は、ハーフミクロ
ン程度の極めて小さなものとなった。また、半導体基板
に形成される不純物の注入領域は非常に浅くなりつつあ
る。
2. Description of the Related Art In conventional low-density semiconductor devices, the step coverage when metal is attached is not considered important. However, recently, due to high integration of semiconductor devices, the diameter of contact holes has become extremely small, about half a micron. Further, the impurity implantation region formed in the semiconductor substrate is becoming extremely shallow.

【0003】半導体装置のコンタクトホールに金属を埋
め込んで配線を形成する技術としては、アルミニウムリ
フロー(Alリフロー)、高温スパッタリング、高エネ
ルギーのレーザを用いる技術などがある。このうち、量
産性と工程の単純化の観点からAlリフロー工程が有利
である。
Techniques for burying a metal in a contact hole of a semiconductor device to form wiring include aluminum reflow (Al reflow), high temperature sputtering, and a technique using a high energy laser. Among these, the Al reflow process is advantageous from the viewpoints of mass productivity and process simplification.

【0004】しかしながら、高アスペクト比の達成、ス
パッタ法によるアルミニウムのステップカバレージの不
良によるボイドの発生などに関する問題点がある。これ
を解決すべくアルミニウムを溶融させてコンタクトホー
ルを埋め込む各種方法が提案されている。
However, there are problems in that a high aspect ratio is achieved, and voids are generated due to defective step coverage of aluminum by the sputtering method. In order to solve this, various methods of melting aluminum and filling contact holes have been proposed.

【0005】例えば、特開昭62−132848号、特
開昭63−99549号、特開昭62−109341号
には、アルミニウムまたはアルミニウム合金を蒸着した
後に、アルミニウムまたはアルミニウム合金をアルミニ
ウムの溶融点以上の温度で加熱して、アルミニウムを液
状にしてコンタクトホールを埋め込む方法が開示されて
いる。
For example, in JP-A-62-132848, JP-A-63-99549 and JP-A-62-109341, after aluminum or aluminum alloy is vapor-deposited, the aluminum or aluminum alloy is heated to a melting point of aluminum or higher. A method of heating aluminum at a temperature of 1 to liquidate aluminum to fill the contact hole is disclosed.

【0006】この方法においては、溶融された液状のア
ルミニウムでコンタクトホールを適切に埋め込むために
は、半導体ウェーハを水平にする必要がある。また、液
状のアルミニウムは、表面張力が小さくなるように、固
化時に縮んだり歪んだりして、底部の半導体物質を露出
させる。また、熱処理温度を正確に調節できないために
量産性が劣る。さらに、コンタクトホール以外の部分の
金属の表面が荒くなり、後続のフォトリソグラフィ工程
が困難になる。
In this method, it is necessary to level the semiconductor wafer in order to properly fill the contact hole with molten liquid aluminum. Further, liquid aluminum shrinks or distorts during solidification so that the surface tension becomes small, and the semiconductor material at the bottom is exposed. In addition, mass productivity is poor because the heat treatment temperature cannot be adjusted accurately. Further, the surface of the metal other than the contact hole becomes rough, and the subsequent photolithography process becomes difficult.

【0007】また、米国特許4,970,176号に
は、ステップカバレージを向上させた金属配線の形成方
法が開示されている。即ち、低温(約200℃以下)で
所定の厚さの金属層を蒸着した後に、400〜500℃
に温度を上げる。このような金属層は、粒子の成長、再
結晶及びバルクの拡散を通じて、後続の工程で蒸着され
る金属層のステップカバレージを向上させる。
Further, US Pat. No. 4,970,176 discloses a method for forming metal wiring with improved step coverage. That is, after depositing a metal layer having a predetermined thickness at a low temperature (about 200 ° C. or less), 400 to 500 ° C.
Raise the temperature to. Such a metal layer improves the step coverage of a metal layer deposited in a subsequent process through grain growth, recrystallization and bulk diffusion.

【0008】一方、Ono等は、Al−Si膜の温度が
500℃以上の場合に、Al−Siの液状化が顕著にな
るとの事実に基づき、500〜550℃の温度でAl−
Si膜を蒸着してコンタクトホールを埋め込む方法を提
案したことがある(Hisako Ono, et al., in Proc., 19
90 VMIC Conference June 11〜12, pp. 76〜82)。
Ono, et al., On the other hand, is based on the fact that the liquefaction of Al-Si becomes remarkable when the temperature of the Al-Si film is 500 ° C. or higher.
There has been a proposal of a method of depositing a Si film to fill a contact hole (Hisako Ono, et al., In Proc., 19
90 VMIC Conference June 11-12, pp. 76-82).

【0009】また、Yoda等は、500〜550℃の
温度で金属を蒸着してコンタクトホールを埋め込む方法
を提案した(ヨロッパ特許出願公開第0387835
号,特許願平第1−61557号)。Yoda等の方法
によれば、コンタクトホールは金属で完全に埋め込まれ
るが、一方で、Al−Si膜が電子移動に対しては強い
抵抗性を示し、ストレスに対しては弱い抵抗を示す可能
性が高い。また、Al膜内に含まれたSiがAl粒子間
の境界で析出されるという問題がある。よって、コンタ
クトホール以外の全てのAl−Si膜をエッチングした
後に、Al−Si−Cu膜を蒸着して配線を形成する必
要がある。
Also, Yoda et al. Proposed a method of filling a contact hole by vapor-depositing a metal at a temperature of 500 to 550 ° C. (European Patent Application Publication No. 0387835).
No. 1-61557). According to the method of Yoda et al., The contact hole is completely filled with metal, while the Al-Si film may have strong resistance to electron transfer and weak resistance to stress. Is high. Further, there is a problem that Si contained in the Al film is precipitated at the boundaries between Al particles. Therefore, it is necessary to form the wiring by vapor-depositing the Al-Si-Cu film after etching all the Al-Si films except the contact holes.

【0010】さらに、本発明者を含むC.S. Park等は、
100℃以下の低温でアルミニウム合金を蒸着した後
に、溶融点以下の温度である550℃で約3分間熱処理
してコンタクトホールを完全に埋め込む方法を提案した
(Proc., 1991 VMIC Conference June 11 and 12 pp. 3
26〜328 )。低温で蒸着されたアルミニウムは、550
℃での熱処理によっては溶けないが、コンタクトホール
に流れ込んでコンタクトホールを完全に埋め込む。
Further, CS Park and others including the present inventor are
After depositing an aluminum alloy at a low temperature of 100 ° C. or lower, a method of completely filling contact holes by heat treatment at 550 ° C., which is a temperature below the melting point, for about 3 minutes was proposed (Proc., 1991 VMIC Conference June 11 and 12). pp. 3
26-328). Aluminum deposited at low temperature is 550
Although not melted by heat treatment at ℃, it flows into the contact hole and completely fills the contact hole.

【0011】上記のC.S. Park等の方法によれば、10
0℃以下の低温で約500Åのアルミニウムを蒸着した
後に熱処理することにより、大きさ0.8μm、アスペ
クト比約1.0のコンタクトホールを完全に埋め込むこ
とができる。この方法においては、Yoda等の方法に
おいて必要とされるエッチング工程が不要である。かか
る利点のため、C.S. Park等のコンタクトホールの埋め
込み方法は、当該分野において多くの関心を集めてい
る。
According to the above method of CS Park, etc., 10
A contact hole having a size of 0.8 μm and an aspect ratio of about 1.0 can be completely filled by heat-treating aluminum having a thickness of about 500 Å at a low temperature of 0 ° C. or less. This method does not require the etching step required in the method of Yoda et al. Due to these advantages, the method of filling a contact hole of CS Park and the like has attracted much interest in the field.

【0012】また、半導体製造の初期の段階において
は、純粋アルミニウムを用いて金属配線層を形成した
が、アルミニウム層は、焼結工程における加熱によって
シリコン基板からシリコン原子を吸収して接合スパイキ
ングを発生させる。従って、アルミニウムをシリコンで
過飽和させたAl−1%Siが金属配線層の材料として
多用されてきた。
Further, in the early stage of semiconductor manufacturing, the metal wiring layer was formed by using pure aluminum, but the aluminum layer absorbs silicon atoms from the silicon substrate by the heating in the sintering process and causes junction spiking. generate. Therefore, Al-1% Si obtained by supersaturating aluminum with silicon has been frequently used as a material for the metal wiring layer.

【0013】しかしながら、Al−1%Siを用いて半
導体装置の配線を形成する場合、約450℃以上の温度
で熱処理する際に、Al膜中のシリコンが析出してSi
残滓を形成するため、配線の接触抵抗が増加する。
However, in the case of forming a wiring of a semiconductor device using Al-1% Si, when heat treatment is performed at a temperature of about 450.degree.
Since the residue is formed, the contact resistance of the wiring increases.

【0014】金属配線層とシリコン基板との上記のよう
な反応によるAlスパイキングクやSi残滓の形成を防
止するために、配線層とシリコン基板または絶縁層との
間に拡散防止膜を形成する技術が知られている。
A diffusion barrier film is formed between the wiring layer and the silicon substrate or the insulating layer in order to prevent the formation of Al spiking or Si residue due to the above reaction between the metal wiring layer and the silicon substrate. The technology is known.

【0015】例えば、米国特許第4,897,709号
には、拡散防止膜として窒化チタン膜をコンタクトホー
ルの内壁に形成する方法が記載されている。また、特開
昭61−183942号には、障壁層として耐火金属膜
と窒素チタン膜より構成された二重膜を形成した後に熱
処理を施して、半導体基板と接続するコンタクトホール
の底部に安定した熱的化合物よりなる耐火金属シリサイ
ド層を形成させることにより、障壁効果を向上させる方
法が開示されている。
For example, US Pat. No. 4,897,709 describes a method of forming a titanium nitride film as a diffusion preventing film on the inner wall of a contact hole. Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 61-183942, a double film composed of a refractory metal film and a titanium titanium film is formed as a barrier layer and then heat-treated to stabilize the bottom of a contact hole connected to a semiconductor substrate. A method for improving the barrier effect by forming a refractory metal silicide layer made of a thermal compound is disclosed.

【0016】また、Nishita等は、拡散障壁層を形成す
る際に、TiN層を形成した後に熱処理を施し、再びT
iN層を形成して障壁効果を向上させる方法を提案して
いる(特開昭63ー97762号公報)。
In addition, Nishita et al., When forming the diffusion barrier layer, perform heat treatment after forming the TiN layer, and then again perform T
A method for forming an iN layer to improve the barrier effect has been proposed (JP-A-63-97762).

【0017】拡散防止膜が形成されたコンタクトホール
において、拡散防止膜の特性を向上させるためには、拡
散防止膜の表面と粒子間の境界に酸化物が存在する状態
とすることが望ましい。しかしながら、この酸化物の存
在は、拡散防止膜とアルミニウムとの湿潤性を低下させ
てボイドを形成せしめたり、熱処理時に不良なプロファ
イルを有する金属層を形成せしめるなど、半導体装置の
配線層の信頼性を劣化させる原因となる。
In order to improve the characteristics of the diffusion prevention film in the contact hole in which the diffusion prevention film is formed, it is desirable that an oxide is present at the boundary between the surface of the diffusion prevention film and the particles. However, the presence of this oxide lowers the wettability between the diffusion barrier film and aluminum to form a void, or forms a metal layer having a bad profile during heat treatment. Cause deterioration.

【0018】Dipankar等は、170℃でAl−1%Cu
合金を各種下地膜に蒸着した実験結果を発表している
(参照文献;“EFFECT OF UNDERLAYER ON SPUTTERED AL
UMINIUM GRAIN STRUCTURE AND ITS CORRELATION WITH S
TEP COVERAGE IN SUBMICRON VIAS" by Dipankar Parman
ik and Vivek Jain, June 12-13, 1990 VMIC Conferenc
e, pp 332-334 )。Dipankar等は、下地膜の種類に応じ
て蒸着時に生成されるアルミニウム粒子の大きさが異な
り、アルミニウムのステップカバレージは、蒸着時に形
成されるアルミニウム粒子の大きさと密接な関係がある
ことを示した。
Dipankar et al. Reported Al-1% Cu at 170 ° C.
We have published the experimental results of vapor-depositing alloys on various underlying films (reference: “EFFECT OF UNDERLAYER ON SPUTTERED AL
UMINIUM GRAIN STRUCTURE AND ITS CORRELATION WITH S
TEP COVERAGE IN SUBMICRON VIAS "by Dipankar Parman
ik and Vivek Jain, June 12-13, 1990 VMIC Conferenc
e, pp 332-334). Dipankar et al. Showed that the size of aluminum particles produced during vapor deposition differed depending on the type of underlying film, and that the step coverage of aluminum was closely related to the size of aluminum particles formed during vapor deposition.

【0019】以上の技術的背景から、高いアスペクト比
を有するコンタクトホールを埋め込むためのアルミニウ
ムリフロー工程は、アルミニウムの蒸着工程におけるA
l金属層とその下地膜である障壁金属との湿潤性及びこ
れらの反応等に関するプロセスパラメータに依存するこ
とが理解される。
From the above technical background, the aluminum reflow process for filling a contact hole having a high aspect ratio is the same as in the aluminum deposition process.
It is understood that it depends on the wettability of the metal layer and the underlying barrier metal and the process parameters relating to these reactions.

【0020】例えば、Alとその下地膜との間の湿潤性
が良好でなければ、後続の熱処理工程の際に、湿潤性の
悪い箇所からボイドが発生する。また、Alと反応する
下地膜を用いると、その界面で生成された反応層がAl
の移動度を過剰に抑えるため、均質な金属でコンタクト
ホールを埋め込むことが困難になる。
For example, if the wettability between Al and its underlying film is not good, voids will be generated from the part with poor wettability in the subsequent heat treatment step. Further, when an underlayer film that reacts with Al is used, the reaction layer generated at the interface is Al
Therefore, it is difficult to fill the contact hole with a homogeneous metal because the mobility of the contact hole is excessively suppressed.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、金属
層の蒸着条件を改善して、均質な薄膜の金属層を信頼性
良く形成するための金属層形成方法を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a metal layer forming method for improving the vapor deposition conditions of a metal layer to form a uniform thin metal layer with high reliability.

【0022】本発明の他の目的は、均質な薄膜の金属層
を用いて、高いアスペクト比を有するコンタクトホール
を安定的に埋め込む配線形成方法を提供するにある。
Another object of the present invention is to provide a wiring forming method for stably filling a contact hole having a high aspect ratio by using a homogeneous thin metal layer.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明に係る連続的な金属薄膜の形成方法は、物理
的気相蒸着方法により金属層を形成する方法において、
相応のエネルギーを持って入射されてウェーハ上の所定
の位置に物理的に吸着される原子の稠密な核生成のため
に、ウェーハを強制的に冷却させる冷却工程によりウェ
ーハの温度を下げた後に、金属を蒸着することを特徴と
する。
In order to achieve the above object, a method for forming a continuous metal thin film according to the present invention is a method for forming a metal layer by a physical vapor deposition method,
After the temperature of the wafer is lowered by a cooling process that forcibly cools the wafer for the dense nucleation of atoms that are incident with appropriate energy and are physically adsorbed at a predetermined position on the wafer, It is characterized in that a metal is vapor-deposited.

【0024】望ましくは、前記冷却温度は−25℃〜常
温であることを特徴とする。
Preferably, the cooling temperature is -25 ° C. to room temperature.

【0025】また、前記金属層は、配線材料として用い
られるようにAl,Cu,Ag,Au及びWのいずれか
1つを用いることが望ましい。
The metal layer is preferably made of any one of Al, Cu, Ag, Au and W so that it can be used as a wiring material.

【0026】本発明の好適な実施の形態によれば、前記
強制冷却工程は、前記ウェーハの背面に設けられ冷媒が
循環される別途の冷却手段を用いてウェーハの温度を−
25℃〜常温の範囲の任意の温度に下げるための接触式
冷却法を用い、前記冷媒としては液体窒素、He及び冷
却水のいずれか一つを用いることができる。
According to a preferred embodiment of the present invention, in the forced cooling step, the temperature of the wafer is controlled by using a separate cooling means provided on the back surface of the wafer for circulating a coolant.
A contact cooling method for reducing the temperature to an arbitrary temperature in the range of 25 ° C. to room temperature is used, and any one of liquid nitrogen, He and cooling water can be used as the refrigerant.

【0027】本発明の他の実施の形態によれば、前記強
制冷却工程は、非接触式の背面ガス伝導方式を用い、前
記冷却用伝導ガスとしては不活性ガスまたは金属の酸化
を防止するH2 のような還元性ガスを用いることもでき
る。
According to another embodiment of the present invention, the forced cooling step uses a non-contact type backside gas conduction system, and the cooling conduction gas is an inert gas or H 2 which prevents oxidation of metal. It is also possible to use a reducing gas such as

【0028】前記他の目的を達成するために、本発明の
配線形成方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する
工程と、前記層間絶縁膜から前記半導体基板の表面まで
に至コンタクトホールを形成する工程と、前記コンタク
トホールの底部表面上に拡散防止膜を蒸着する工程と、
−25℃から常温までの蒸着温度を有する蒸着条件で前
記拡散防止膜上に均一なアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金薄膜を蒸着する工程と、前記アルミニウムまたは
アルミニウム合金薄膜を溶融点以下の温度で熱処理して
前記コンタクトホールを埋め込む工程とを含むことを特
徴とする。
In order to achieve the above other object, the wiring forming method of the present invention comprises a step of forming an interlayer insulating film on a semiconductor substrate, and a step of forming a contact hole from the interlayer insulating film to the surface of the semiconductor substrate. A step of forming, and a step of depositing a diffusion barrier film on the bottom surface of the contact hole,
Depositing a uniform aluminum or aluminum alloy thin film on the diffusion barrier under vapor deposition conditions having a deposition temperature of -25 ° C. to room temperature, and heat treating the aluminum or aluminum alloy thin film at a temperature below a melting point, And a step of filling the contact hole.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき本発明の
好適な実施の形態を詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0030】通常、物理蒸着(PVD)する場合、蒸着
される金属原子は、相応のエネルギーを持って入射され
るため、物理的に吸着される原子(以下、“吸着原子”
という)は、入射された位置からある程度移動した後
に、表面で原子が再配列されながら蒸着される。この
際、原子はエネルギーを失いながら安定した核を形成し
て、基板の表面に向かって凝縮される。凝縮の際、吸着
原子と基板または下地膜との表面間の反応及び吸着原子
の運動エネルギーにより決められる移動度の程度に応じ
て核生成の程度が変わる。
Usually, in the case of physical vapor deposition (PVD), the metal atom to be vapor-deposited is incident with a corresponding energy, so that the atom physically adsorbed (hereinafter referred to as “adsorbed atom”).
After a certain amount of movement from the incident position, atoms are rearranged on the surface to be deposited. At this time, the atoms lose energy and form stable nuclei, which are condensed toward the surface of the substrate. During the condensation, the degree of nucleation varies depending on the reaction between the adsorbed atoms and the surface of the substrate or the underlying film and the mobility determined by the kinetic energy of the adsorbed atoms.

【0031】そこで、高いアスペクト比を有するサブハ
ーフミクロンのコンタクトにAlリフロー工程を適用す
るために、金属の蒸着条件を変えながら金属原子の状態
の変化を観察した。特に、金属薄膜の初期蒸着特性によ
り配線の信頼性を決める重要な因子である湿潤性(即
ち、スパッタリングされた金属原子(吸着原子)が下地
膜に吸着し易い程度)、核生成やグレインサイズなどの
変化を以下のような実験により調べた。
Therefore, in order to apply the Al reflow process to the sub-half-micron contact having a high aspect ratio, the change in the state of metal atoms was observed while changing the metal vapor deposition conditions. In particular, the wettability (that is, the degree to which the sputtered metal atoms (adsorbed atoms) are easily adsorbed to the underlying film), which is an important factor that determines the reliability of the wiring due to the initial vapor deposition characteristics of the metal thin film, nucleation, grain size, etc. Was examined by the following experiment.

【0032】図1乃至図3は、アルミニウム金属膜の蒸
着条件を変えて、TiN下地膜上のAl核生成の状態を
走査型電子顕微鏡(SEM)で観測した断面写真を示
す。
FIGS. 1 to 3 are cross-sectional photographs obtained by observing the state of Al nucleation on the TiN underlayer film with a scanning electron microscope (SEM) while changing the deposition conditions of the aluminum metal film.

【0033】即ち、図1は、従来の方法により高温(約
450℃)で蒸着したアルミニウム膜30aの表面を、
図2は、本実施の形態に係る冷却工程なしに低温(約2
0℃)で蒸着したアルミニウム膜30bの表面を、図3
は、本実施の形態に係る冷却工程を適用して蒸着したA
l薄膜30cの表面を示す。
That is, FIG. 1 shows the surface of the aluminum film 30a deposited at a high temperature (about 450 ° C.) by the conventional method.
FIG. 2 shows a low temperature (about 2%) without the cooling process according to the present embodiment.
The surface of the aluminum film 30b deposited at 0 ° C. is shown in FIG.
Is vapor deposited by applying the cooling process according to the present embodiment.
1 shows the surface of the thin film 30c.

【0034】基板10としてはシリコン基板を用い、基
板10上に形成される下地膜20としては約600Åの
厚さのTiNを、温度200℃、圧力2mTorr、Ar:
N2=40:85などの同一の蒸着条件で蒸着した。A
l膜30a,30b,30cは60Åの超薄膜を蒸着に
より形成した。
A silicon substrate is used as the substrate 10, and TiN having a thickness of about 600 Å is used as the base film 20 formed on the substrate 10 at a temperature of 200 ° C., a pressure of 2 mTorr, and Ar:
Deposition was performed under the same deposition conditions such as N2 = 40: 85. A
The 1-films 30a, 30b, 30c were formed by vapor deposition of ultra-thin films of 60 Å.

【0035】アルミニウム薄膜を本実施の形態に係る冷
却工程を経ることなく通常の方法で蒸着した後に、Al
の初期核生成における膜の連続性を調べた結果、図1及
び図2の断面写真のAl膜30a,30bが示すよう
に、島状のグレインが現れた。
After depositing an aluminum thin film by a usual method without passing through the cooling step according to the present embodiment, Al
As a result of investigating the continuity of the film in the initial nucleation, the island-shaped grains appeared as shown by the Al films 30a and 30b in the cross-sectional photographs of FIGS.

【0036】即ち、蒸着温度が高いほどウェーハに蒸着
されるAl膜に島状のグレインが現れるが、ウェーハを
冷却した後にAlを蒸着すると、均質な膜が得られるこ
とが理解される。これはスパッタリングにより、熱的に
高温状態のAlの吸着原子が下地膜20に吸着されると
き、本実施の形態に係る冷却工程を適用することにより
冷却され、Al吸着原子の移動度が最適な移動度まで低
下し、Al原子の移動量が最適な量になるからである。
That is, although the island-shaped grains appear in the Al film deposited on the wafer as the deposition temperature increases, it is understood that a uniform film can be obtained by depositing Al after cooling the wafer. This is cooled by applying the cooling process according to the present embodiment when the adsorbed atoms of Al that are in a high temperature state are adsorbed to the underlying film 20 by sputtering, and the mobility of the adsorbed Al atoms is optimal. This is because the mobility is lowered and the amount of movement of Al atoms becomes an optimum amount.

【0037】また、図3から観測されるように、ウェー
ハ10を−25℃〜常温までの間に保持しながら、Al
またはAl−1%Si−0.5%Cuのようなアルミニ
ウム合金30cを60Åの厚さで蒸着した場合の観察結
果によれば、極めて稠密で均一な膜が得られ、20Åま
での超薄膜を得ることもできた。
As can be seen from FIG. 3, while maintaining the wafer 10 between −25 ° C. and room temperature, Al
Alternatively, according to the observation result when an aluminum alloy 30c such as Al-1% Si-0.5% Cu is vapor-deposited with a thickness of 60Å, an extremely dense and uniform film is obtained, and an ultrathin film up to 20Å is obtained. I could get it.

【0038】前記金属層は、配線材料として用いるため
に、AlまたはAl合金の他、Cu,Ag,Au,Wな
どの電気伝導度が優れた物質のいずれかを用いることも
できる。
In order to use the metal layer as a wiring material, in addition to Al or Al alloy, it is possible to use any material having excellent electric conductivity such as Cu, Ag, Au and W.

【0039】本発明の好適な実施の形態においては、前
記冷却工程として、以下のような2つの方法を用いる。
In the preferred embodiment of the present invention, the following two methods are used as the cooling step.

【0040】蒸着温度を下げるための第1の方法とし
て、アルミニウムを蒸着するための同一のチャンバ内で
常温のArガスを所定時間流してウェーハを強制的に冷
却する非接触式方法が好適である この場合において、ウェーハの温度を効果的に冷却する
ためには、背面ガス伝導方式が好適である。また、伝導
ガスとしては、Arの他、Heなどの不活性ガスまたは
金属の酸化を防止するH2のような還元性ガスが好適で
ある。
As a first method for lowering the vapor deposition temperature, a non-contact method in which Ar gas at normal temperature is flowed for a predetermined time in the same chamber for vapor deposition of aluminum to forcibly cool the wafer is preferable. In this case, the backside gas conduction method is suitable for effectively cooling the temperature of the wafer. In addition to Ar, an inert gas such as He or a reducing gas such as H 2 that prevents metal oxidation is suitable as the conductive gas.

【0041】TiN蒸着時のウェーハチャックの温度は
約200℃であり、また、チャンバ内のプラズマ雰囲気
などの影響によりウェーハは加熱されるが、常温のAr
ガスにより冷却されてAl原子の移動度が抑えられて、
結果的に稠密で均質なAl膜が形成される。
The temperature of the wafer chuck at the time of TiN deposition is about 200 ° C. Further, the wafer is heated by the influence of the plasma atmosphere in the chamber.
Cooled by the gas, the mobility of Al atoms is suppressed,
As a result, a dense and uniform Al film is formed.

【0042】しかしながら、前記冷却工程を実行するチ
ャンバとして、金属蒸着と同一のチャンバを用いる場
合、ウェーハがプラズマ雰囲気で長時間にわたって保持
されるために、ウェーハチャックの温度が増加してしま
うという問題がある。そこで、他のチャンバを用いて冷
却工程を実行することが望ましく、この場合、冷却工程
とAl蒸着工程とが同一チャンバ内で連続して実行され
ないため、ウェーハチャックの温度上昇を防止すること
ができ、蒸着されるAl膜の均質性をより向上させるこ
とができる。
However, when the same chamber for metal deposition is used as the chamber for performing the cooling step, the temperature of the wafer chuck increases because the wafer is held in the plasma atmosphere for a long time. is there. Therefore, it is desirable to perform the cooling process using another chamber. In this case, the cooling process and the Al deposition process are not continuously performed in the same chamber, so that the temperature rise of the wafer chuck can be prevented. The homogeneity of the deposited Al film can be further improved.

【0043】第2の方法として、冷媒を循環してウェー
ハを冷却するような冷却手段(例えば、蒸着用のチャン
バの外部に別途の冷却部(chiller block)を設けて、該
冷却部により冷媒を冷却し、冷却した冷媒によりウェー
ハをその背面から冷却する手段)を設けて、ウェーハの
温度を−25℃〜常温の任意の温度に冷却する接触式冷
却法が好適である。
As a second method, a cooling means for circulating a cooling medium to cool the wafer (for example, a separate cooling section (chiller block) is provided outside the deposition chamber, and the cooling section cools the cooling medium). A contact-type cooling method in which a means for cooling the wafer from its rear surface with a cooled coolant is provided and the temperature of the wafer is cooled to an arbitrary temperature of -25 ° C. to room temperature is suitable.

【0044】このような冷却手段を用いて同一のチャン
バ内でウェーハを冷却した後に、続けてAl蒸着工程を
実行する場合、前述した第1の方法、すなわち、Arガ
ス等による冷却工程よりも、さらに稠密なAl核を生成
することができる。
When the Al vapor deposition step is continuously performed after the wafer is cooled in the same chamber by using the cooling means as described above, rather than the first method described above, that is, the cooling step using Ar gas or the like, More dense Al nuclei can be generated.

【0045】前記接触式冷却法における冷媒としては、
液体窒素、Heガスまたは冷却水が好適である。
As the refrigerant in the contact cooling method,
Liquid nitrogen, He gas or cooling water are preferred.

【0046】次に、前述した方法により最適化された金
属層の形成方法を用いて高いアスペクト比を有するコン
タクトホールに配線コンタクトを形成する方法を説明す
る。図4及び図5は、層間絶縁膜40及びTiN障壁層
20を有する基板10のコンタクトホールに金属を蒸着
した結果物の断面写真であり、図4は冷却工程を実行し
なかった場合、図5は冷却工程を実行した場合を示す。
なお、説明の便宜のため、図1乃至図3と対応する部分
については、同一の参照符号を付している。
Next, a method of forming a wiring contact in a contact hole having a high aspect ratio by using the metal layer forming method optimized by the above-described method will be described. 4 and 5 are cross-sectional photographs of the result of depositing metal in the contact holes of the substrate 10 having the interlayer insulating film 40 and the TiN barrier layer 20, and FIG. 4 illustrates a case where the cooling process is not performed. Indicates the case where the cooling process was executed.
Note that, for convenience of description, the same reference numerals are given to portions corresponding to those in FIGS. 1 to 3.

【0047】コンタクトホールの直径は0.37μm、
そのアスペクト比は3であり、TiN膜20の蒸着条件
及びAl膜300a,300Aの蒸着条件は、前述の条
件と同一である。但し、蒸着したAlの厚さは約600
Åである。冷却工程においては、Alの蒸着工程が実行
されるチャンバと異なるチャンバで常温のArガスを9
0秒間循環させた。
The diameter of the contact hole is 0.37 μm,
The aspect ratio is 3, and the vapor deposition conditions for the TiN film 20 and the vapor deposition conditions for the Al films 300a and 300A are the same as those described above. However, the thickness of evaporated Al is about 600.
Å. In the cooling process, Ar gas at room temperature is used in a chamber different from the chamber in which the Al deposition process is performed.
Circulate for 0 seconds.

【0048】図4の断面写真から明らかなように、Ti
N障壁層20の上に蒸着されたアルミニウム300aの
グレインサイズは大きく、コンタクトホールの側壁の一
部にはアルミニウムが蒸着されていない部分も観察され
る。一方、冷却工程を実行した場合には、図5の断面写
真から明らかなように、微細なAlグレイン300Aが
均一に蒸着されて、ステップカバレージが向上すること
がわかる。この結果は、コンタクトホールがない下地膜
上のAlグレインの成長と類似している。
As is clear from the photograph of the cross section of FIG.
The grain size of the aluminum 300a deposited on the N barrier layer 20 is large, and a part of the sidewall of the contact hole where aluminum is not deposited is also observed. On the other hand, when the cooling process is performed, it is clear from the cross-sectional photograph of FIG. 5 that fine Al grains 300A are uniformly vapor-deposited and the step coverage is improved. This result is similar to the growth of Al grains on the underlying film without contact holes.

【0049】図6及び図7は、アルミニウムリフロー工
程後のコンタクトの埋め込み特性を観測したSEM断面
写真であり、図6は冷却工程を実行しなかった場合、図
7は冷却工程を実行した場合を示す。
FIGS. 6 and 7 are SEM cross-sectional photographs observing the contact burying characteristics after the aluminum reflow step. FIG. 6 shows the case where the cooling step was not executed, and FIG. 7 shows the case where the cooling step was executed. Show.

【0050】アルミニウムリフロー工程における熱処理
は、580℃の温度で90秒間にわたって実行した。な
お、この時のウェーハ温度は約450℃であった。
The heat treatment in the aluminum reflow step was carried out at a temperature of 580 ° C. for 90 seconds. The wafer temperature at this time was about 450 ° C.

【0051】図6の断面図から明らかなように、冷却工
程なしにリフロー工程を実行する場合には、湿潤性が良
くない部分にボイド50が発生して、コンタクトホール
が適正に埋め込まれない。
As is apparent from the cross-sectional view of FIG. 6, when the reflow process is performed without the cooling process, voids 50 are generated in the portion having poor wettability, and the contact hole is not properly filled.

【0052】しかしながら、図7の断面図から明らかな
ように、−25℃〜常温での蒸着温度で蒸着されたアル
ミニウム原子300Bは移動度が抑えられて、従って、
移動により集合する(”くっつく”)現象が減り、アル
ミニウムの充填特性が改善される。
However, as is clear from the sectional view of FIG. 7, the mobility of the aluminum atom 300B deposited at the deposition temperature from -25 ° C. to room temperature is suppressed, and therefore,
The phenomenon of “sticking” due to migration is reduced and the filling properties of aluminum are improved.

【0053】以上のように、金属膜を熱処理して高いア
スペクト比を有するコンタクトホールを埋め込むために
は、コンタクトホールの側壁と底面とにおいて、金属膜
を稠密かつ均一に蒸着することが要求され、この要求
は、金属の蒸着に際してウェーハの温度を十分に冷却す
ることにより満たされる。即ち、金属の蒸着温度が高い
ほど吸着原子の移動度が増し、グレインの成長によりそ
のグレインサイズが大きくなり、一方、上記のような低
い蒸着温度の場合には、吸着原子の移動度の低減(最適
化)により稠密かつ均一な金属膜が形成される。
As described above, in order to bury a contact hole having a high aspect ratio by heat-treating the metal film, it is required to densely and uniformly deposit the metal film on the side wall and the bottom surface of the contact hole. This requirement is met by sufficient cooling of the wafer temperature during metal deposition. That is, the higher the vapor deposition temperature of the metal, the higher the mobility of the adsorbed atoms, and the larger the grain size due to the growth of grains, while the lower the vapor deposition temperature as described above, the lower the mobility of the adsorbed atoms ( By optimization, a dense and uniform metal film is formed.

【0054】以上のように、本実施の形態に拠れば、ア
ルミニウム等の金属の蒸着に際して、ウェーハを充分冷
却して適正温度にすることにより、金属の核生成の状態
が改善されるため、30Å程度の超薄膜を蒸着しても稠
密かつ均一な金属膜が形成される。
As described above, according to the present embodiment, when the metal such as aluminum is vapor-deposited, the state of nucleation of the metal is improved by sufficiently cooling the wafer to the proper temperature. A dense and uniform metal film is formed even if an ultra-thin film of a certain degree is deposited.

【0055】本発明は上記の実施の形態に限定されず、
本発明の技術的思想の範囲内において、様々な変形が可
能である。
The present invention is not limited to the above embodiment,
Various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

【0056】[0056]

【発明の効果】本発明に拠れば、金属層の蒸着工程の前
に、冷却工程を実行し、ウェーハの温度が−25℃〜常
温の範囲となる状態で蒸着工程を行うことにより、スパ
ッタリングされた金属原子が下地膜に吸着し易い程度を
示す湿潤性を向上させ、核生成の位置数を増加させ、単
位体積当たりの粒界エネルギーを増加させることができ
る。
According to the present invention, sputtering is performed by performing a cooling process before the metal layer deposition process and performing the deposition process in a state where the temperature of the wafer is in the range of -25 ° C to room temperature. It is possible to improve the wettability, which indicates the degree to which metal atoms are easily adsorbed to the base film, increase the number of nucleation positions, and increase the grain boundary energy per unit volume.

【0057】その結果、蒸着された金属層の表面状態を
改善して稠密かつ均一な超薄膜の金属膜が得られる。ま
た、高いアスペクト比を有するコンタクトホールにおけ
るアルミニウム等の充填特性を向上させ得る。
As a result, the surface condition of the vapor-deposited metal layer is improved and a dense and uniform ultrathin metal film is obtained. Further, the filling property of aluminum or the like in the contact hole having a high aspect ratio can be improved.

【0058】[0058]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】通常の高温蒸着方法により拡散防止膜上に蒸着
されたアルミニウム膜の蒸着特性を観測した写真であ
る。
FIG. 1 is a photograph showing deposition characteristics of an aluminum film deposited on a diffusion barrier film by a normal high temperature deposition method.

【図2】冷却工程なしに低温蒸着されたアルミニウム薄
膜の蒸着特性を観測した写真である。
FIG. 2 is a photograph showing deposition characteristics of an aluminum thin film deposited at low temperature without a cooling step.

【図3】本実施の形態に係る冷却工程を適用したAl蒸
着特性を観測した写真である。
FIG. 3 is a photograph observing Al vapor deposition characteristics to which a cooling step according to the present embodiment is applied.

【図4】コンタクトホールにおけるTiN下地膜上に、
ウェーハを冷却せずにAlを蒸着して得た結果物のSE
M断面写真である。
FIG. 4 shows a TiN base film in a contact hole,
SE of the result obtained by depositing Al without cooling the wafer
It is an M section photograph.

【図5】コンタクトホールにおけるTiN下地膜上に、
ウェーハを冷却した後にAlを蒸着して得た結果物のS
EM断面写真である。
FIG. 5: On the TiN base film in the contact hole,
The resulting S obtained by depositing Al after cooling the wafer
It is an EM cross-section photograph.

【図6】コンタクトホールに、ウェーハを冷却せずに蒸
着したAlをリフロー工程後に観測したSEM断面写真
である。
FIG. 6 is a SEM cross-sectional photograph of Al deposited on the contact hole without cooling the wafer after the reflow process.

【図7】コンタクトホールに、ウェーハを冷却した後に
蒸着されたAlをリフロー工程後に観測したSEM断面
写真である。
FIG. 7 is a SEM cross-sectional photograph of Al deposited on a contact hole after cooling a wafer, observed after a reflow process.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 物理的気相蒸着方法により金属層を形成
する方法において、 相応のエネルギーを持って入射されて、ウェーハ上に物
理的に吸着される原子により稠密な核を生成のために、
ウェーハを冷却してウェーハの温度を低下させた中で、
金属層を物理的気相蒸着法により形成することを特徴と
する金属層形成方法。
1. A method of forming a metal layer by a physical vapor deposition method, for producing dense nuclei by atoms which are incident with appropriate energy and are physically adsorbed on a wafer,
While cooling the wafer and lowering the temperature of the wafer,
A method for forming a metal layer, which comprises forming the metal layer by a physical vapor deposition method.
【請求項2】 前記ウェーハの冷却により、ウェーハの
温度を−25℃〜常温の間にすることを特徴とする請求
項1に記載の金属層形成方法。
2. The method for forming a metal layer according to claim 1, wherein the temperature of the wafer is set between −25 ° C. and room temperature by cooling the wafer.
【請求項3】 前記金属層は、配線材料であるところの
Al,Cu,Ag,Au及びWのいずれか1つを含むこ
とを特徴とする請求項1に記載の金属層形成方法。
3. The method for forming a metal layer according to claim 1, wherein the metal layer contains any one of Al, Cu, Ag, Au and W which is a wiring material.
【請求項4】 前記ウェーハの冷却は、外部の冷却装置
により冷媒を冷却し、該冷媒を循環させてウェーハを背
面から冷却する機構により、冷却と同時に蒸着が可能な
接触式冷却方式を用いて行なうことを特徴とする請求項
1に記載の金属層形成方法。
4. The wafer is cooled by using a contact cooling method capable of simultaneously performing cooling and vapor deposition by a mechanism in which a cooling medium is cooled by an external cooling device and the cooling medium is circulated to cool the wafer from the back surface. The method for forming a metal layer according to claim 1, which is performed.
【請求項5】 前記冷媒は、液体窒素、He及び冷却水
のいずれか1つであることを特徴とする請求項4に記載
の金属層形成方法。
5. The method for forming a metal layer according to claim 4, wherein the refrigerant is one of liquid nitrogen, He, and cooling water.
【請求項6】 前記ウェーハの冷却は、非接触式の背面
ガス伝導方式を用いることを特徴とする請求項1に記載
の金属層形成方法。
6. The method for forming a metal layer according to claim 1, wherein the wafer is cooled by using a non-contact type backside gas conduction method.
【請求項7】 前記背面ガス伝導方式における冷却用伝
導ガスは、不活性ガスまたは還元性ガスであることを特
徴とする請求項6に記載の金属層形成方法。
7. The method for forming a metal layer according to claim 6, wherein the cooling conduction gas in the backside gas conduction method is an inert gas or a reducing gas.
【請求項8】 半導体基板上に積層された層間絶縁膜に
形成されたコンタクトホールの表面に拡散防止膜を蒸着
する工程と、 −25℃〜常温の蒸着温度で前記拡散防止膜上にアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金の薄膜を蒸着する工程
と、 前記アルミニウムまたはアルミニウム合金の薄膜を溶融
点以下の温度で熱処理して前記コンタクトホールを埋め
込む工程と、 を有することを特徴とする配線形成方法。
8. A step of depositing a diffusion barrier film on a surface of a contact hole formed in an interlayer insulating film laminated on a semiconductor substrate, and aluminum or aluminum on the diffusion barrier film at a deposition temperature of −25 ° C. to room temperature. A wiring forming method comprising: a step of depositing a thin film of an aluminum alloy; and a step of filling the contact hole by heat-treating the thin film of aluminum or an aluminum alloy at a temperature below a melting point.
【請求項9】 前記アルミニウムまたはアルミニウム合
金の薄膜を蒸着する工程において、外部の冷却装置によ
り冷媒を冷却し、該冷媒を循環させて半導体基板を背面
から冷却する接触式冷却方式により、前記半導体基板の
温度を−25℃〜常温の範囲に低下させることを特徴と
する請求項8に記載の配線形成方法。
9. In the step of depositing a thin film of aluminum or an aluminum alloy, the semiconductor substrate is cooled by an external cooling device, and the semiconductor substrate is cooled by a contact cooling method in which the coolant is circulated to cool the semiconductor substrate from the back surface. 9. The wiring forming method according to claim 8, wherein the temperature is lowered to a range of −25 ° C. to room temperature.
【請求項10】 前記冷媒は、液体窒素、He及び冷却
水のいずれかであることを特徴とする請求項9に記載の
配線形成方法。
10. The wiring forming method according to claim 9, wherein the coolant is any one of liquid nitrogen, He, and cooling water.
【請求項11】 前記アルミニウムまたはアルミニウム
合金の薄膜の蒸着工程において、非接触式の背面ガス伝
導方式により前記半導体基板を冷却することを特徴とす
る請求項8に記載の配線形成方法。
11. The wiring forming method according to claim 8, wherein, in the step of depositing the thin film of aluminum or aluminum alloy, the semiconductor substrate is cooled by a non-contact type back surface gas conduction method.
【請求項12】 前記背面ガス伝導方式における冷却用
伝導ガスは、不活性ガスまたは還元性ガスであることを
特徴とする請求項11に記載の配線形成方法。
12. The wiring forming method according to claim 11, wherein the conductive gas for cooling in the back surface gas conductive system is an inert gas or a reducing gas.
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